场地地震反应的非线性效应分析及计算方法改进

摘要

场地条件在地震震害中起着不可忽视的作用。场地的非线性效应首先由岩土工程学家在室内试验过程中发现，继而由地震学家根据对强震动观测记录的分析而得到验证。一般来讲，当地震动输入超过一定阈值(100gal-200gal)时，场地出现明显的非线性效应，但是对于不同场地，其产生非线性效应的地震动输入阈值也不尽相同。
　　 本文根据场地等效剪切波速随地震动输入水平的变化规律给出每个场地类型产生明显非线性效应的地震动阈值。等效线性化方法被广泛的应用于地震小区划和工程场地地震安全性评价中，但在工程中发现，对于强地震动输入等效线性化方法低估了土层表面的峰值加速度反应。通过实际竖向台阵观测记录的分析，证实了这一现象。分析发现主要是由于等效剪应变的近似选取与实际剪应变差异太大，继而，降低了地震波中高频成份对地表加速度的贡献。统计发现，在动力反应过程中土体的剪应变随着地震波频率的增大而逐渐变小。结合土体的刚度和阻尼动力参数曲线，可得出在反应过程中土体的刚度和阻尼的频率相关性，尽管土体本身并不存在这种特性。基于这一原理，本文在土体的非线性等效线性化计算中采用与频率相关的刚度和阻尼，并利用该方法对Port Island等竖向台阵的地震动观测记录进行计算分析。计算表明，与传统的方法相比，考虑频率相关的刚度和阻尼的等效线性化方法结果更符合实际观测值在利用传统等效线性化方法进行一维场地的土层反应计算时，由于上文所述的等效剪应变选取所造成的弊端，本论文将采用地震动相对持时概念，即：设定某一阈值，在地震动时程第一次和最后一次超过该阈值的两个时间点处，将其分为三段，并进行分段输入。由于在计算过程中采用等效线性化的基本原理，因此分段时程的计算结果可以直接在频域或时域中进行叠加，从而得出土体的整个反应时程，这种计算方法本文称为地震动加速度时程的分段输入法。分析结果表明，该方法更为合理。